Di Universitas Rostock, para peneliti telah menggabungkan simetri PT dengan topologi dalam chip fotonik, menantang keyakinan sebelumnya tentang sistem terbuka dan isolator topologi, dan membuka jalan bagi aplikasi teknologi yang inovatif. Kredit: SciTechDaily.com
Penelitian inovatif menggabungkan simetri PT dengan topologi, menawarkan wawasan baru tentang sistem terbuka dan potensi sirkuit teknologi canggih.
Entah menggambarkan orbit planet atau cara kerja bagian dalamnya atomparadigma utama dalam fisika adalah kekekalan energi: Meskipun berbagai bentuk energi dapat diubah satu sama lain, jumlah total energi biasanya diasumsikan konstan sepanjang waktu. Oleh karena itu, fisikawan biasanya cenderung memastikan bahwa sistem yang mereka coba gambarkan tidak berinteraksi dengan lingkungannya.
Namun ternyata, dinamika suatu sistem juga bisa stabil jika perolehan dan kehilangan energi didistribusikan secara sistematis sehingga keduanya saling meniadakan dalam semua kondisi yang dapat dibayangkan, yang dapat dijamin melalui apa yang disebut paritas. simetri waktu (PT): Mirip dengan video yang diputar mundur dan secara bersamaan dipantulkan di cermin namun terlihat persis seperti video aslinya – yaitu simetris PT – komponen dalam sistem disusun sedemikian rupa sehingga pertukaran perolehan dan hilangnya cahaya melalui pencerminan simultan dan pembalikan waktu. membuat sistem tampak tidak berubah. Jauh dari sekadar gagasan akademis, simetri PT telah membuka jalan bagi pemahaman yang lebih mendalam tentang sistem terbuka.
Sebuah tim peneliti dari Rostock, Würzburg dan Indiana untuk pertama kalinya menunjukkan bahwa cahaya dapat merambat tanpa kehilangan dalam sistem yang berinteraksi dengan lingkungannya. Untuk eksperimennya, mereka menggunakan pandu gelombang yang ditulis dengan laser seperti yang ditunjukkan di sini – ini adalah struktur optik yang ditulis ke dalam material dengan sinar laser. Di sini, sinyal cahaya dapat merambat dengan kuat dan stabil serta tanpa kehilangan Kredit: Julia Tetzke/University of Rostock
Inovasi Dengan PT Symmetry
Fenomena fisik menarik yang terkait dengan simetri PT adalah spesialisasi Profesor Alexander Szameit di Universitas Rostock. Dalam chip fotonik khusus mereka, sinar laser dapat meniru perilaku bahan alami dan sintetis, yang disusun dalam struktur kisi periodik, menjadikannya tempat pengujian yang ideal untuk berbagai macam teori fisika.
Dengan cara ini, Profesor Szameit dan timnya berhasil menggabungkan simetri PT dengan konsep topologi. Topologi mempelajari sifat-sifat yang tidak berubah meskipun sistem yang mendasarinya terus menerus mengalami deformasi. Sifat-sifat tersebut kemudian membuat suatu sistem menjadi sangat kuat terhadap pengaruh eksternal.
Untuk eksperimen mereka, kelompok penelitian Szameit menggunakan pandu gelombang fotonik bertulisan laser – struktur optik yang ditulis ke dalam material dengan sinar laser. Dalam “sirkuit cahaya” ini, apa yang disebut isolator topologi diwujudkan. Szameit menjelaskan: “Isolator ini telah menarik banyak perhatian dalam beberapa tahun terakhir karena kemampuannya yang menakjubkan dalam menyampaikan aliran elektron atau cahaya yang tidak hilang di sepanjang batasnya. Kemampuan uniknya untuk menekan dampak cacat dan hamburan menjadikannya sangat menarik untuk semua jenis aplikasi teknologi.”
Topologi memenuhi sistem terbuka: Topologi berkaitan dengan sifat-sifat sistem yang tidak berubah-ubah – seperti yang ditunjukkan secara skematis pada gambar kuning di kiri atas dengan struktur seperti donat, yang jumlah lubangnya, yaitu satu lubang yang tepat, selalu tetap sama. Di sisi lain, simetri paritas-waktu – yang diilustrasikan dengan gerakan kupu-kupu yang terlihat sama jika dibalik dan dicerminkan – berperan penting dalam stabilitas sistem terbuka. Menggabungkan kedua konsep ini telah lama menjadi masalah bagi para peneliti karena tampaknya tidak sejalan. Namun, para peneliti sekarang dapat menunjukkan bahwa pergerakan sinyal cahaya (titik kuning dan puncak di ujung penanda merah) bergerak dengan kuat dan stabil di sepanjang tepi pandu gelombang yang ditulis dengan laser meskipun berinteraksi dengan lingkungannya (gambar bawah). Kredit: Alexander Fritzsche/Universitas Rostock
Penemuan Baru dalam Isolator Topologi dan Sistem Terbuka
Namun, hingga saat ini, negara-negara batas yang kuat tersebut dianggap secara fundamental tidak sesuai dengan sistem terbuka. Dalam upaya bersama mereka, para peneliti dari Rostock, Würzburg, dan Indianapolis mampu menunjukkan bahwa paradoks yang tampak dapat diselesaikan dengan mendistribusikan keuntungan dan kerugian secara dinamis dari waktu ke waktu.
Penulis pertama, mahasiswa PhD Alexander Fritzsche, menguraikan: “Cahaya yang merambat di sepanjang batas sistem terbuka kita seperti seorang pejalan kaki yang melintasi daerah pegunungan. Meskipun mengalami pasang surut, mereka pasti akan kembali ke ketinggian awal dari titik awal. Demikian pula, cahaya yang merambat dalam saluran tepi terlindung dari isolator topologi PT-simetris kami tidak akan pernah diperkuat atau diredam secara eksklusif, dan oleh karena itu dapat mempertahankan amplitudo rata-ratanya sambil menikmati kekokohan penuh yang diberikan oleh topologi tersebut.”
Temuan ini merupakan kontribusi penting terhadap pemahaman mendasar tentang isolator topologi dan sistem terbuka, dan mungkin membuka pintu bagi generasi baru sirkuit canggih untuk listrik, cahaya, atau bahkan gelombang suara.
Referensi: “Insulator topologi fotonik paritas-waktu-simetris” oleh Alexander Fritzsche, Tobias Biesenthal, Lukas J. Maczewsky, Karo Becker, Max Ehrhardt, Matthias Heinrich, Ronny Thomale, Yogesh N. Joglekar dan Alexander Szameit, 9 Januari 2024, Bahan alami.
DOI: 10.1038/s41563-023-01773-0
Penelitian ini didanai oleh German Research Foundation (DFG) dan didukung oleh Alfried Krupp von Bohlen und Halbach Foundation.
